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刨花形態(tài)和施膠量對玉米秸稈刨花板性能的影響摘 要 以黑龍江省產(chǎn)玉米秸稈為原料，加工6種不同形態(tài)的刨花，將刨花形態(tài)和施膠量作為兩個(gè)密切相關(guān)的變量進(jìn)行綜合分析，探究制備綜合性能良好的玉米秸稈刨花板的工藝方法。結果表明，以篩分粒度24~30目刨花作為芯層、30~40目刨花作為表層制得的三層刨花板性能最佳，靜曲強度為32.50 MPa，彈性模量為3.83 GPa，內結合強度為0.93 MPa，24 h吸水厚度膨脹率為14.21%，符合GB/T 4897—2015《刨花板》中干燥狀態(tài)下使用的重載型刨花板（P4型）的要求。 關(guān)鍵詞 玉米秸稈刨花板；刨花形態(tài)；施膠量；動(dòng)態(tài)熱機械分析；物理力學(xué)性能 生物質(zhì)材料具有來(lái)源廣、可再生、成本低廉以及生物可降解性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。農作物秸稈是生物質(zhì)材料的重要來(lái)源，目前利用農作物秸稈制造的刨花板已被應用于包裝、家具制造等諸多領(lǐng)域[ 秸稈刨花形態(tài)直接影響板材的力學(xué)強度、尺寸穩定性和表面性能等，是關(guān)乎產(chǎn)品質(zhì)量的重要參數。關(guān)于秸稈刨花形態(tài)以及施膠量對刨花板性能的影響，本領(lǐng)域學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究。 左迎峰等[5]采用粗、細和粗細混合的秸稈刨花制備稻草板，探究不同尺寸刨花的最佳施膠量，并分析相同施膠量條件下刨花尺寸對板材性能的影響，發(fā)現粗料稻草板的靜曲強度（modulus of rupture，MOR）和彈性模量（modulus of elasticity，MOE）最大，混合料稻草板的內結合強度（internal bond strength，IB）最大、吸水厚度膨脹率（thickness swelling，TS）最小。Li等[6]研究了6種不同形態(tài)稻秸制成的刨花板的力學(xué)性能，稻秸刨花板的MOR和IB均隨刨花尺寸的減小呈現先增大后減小的趨勢，而TS以及線(xiàn)膨脹率均隨刨花尺寸的減小而增大。在其研究中，刨花尺寸分級較細，從而能較好總結刨花形態(tài)對板材性能的影響規律，對本研究有所啟發(fā)。 鄭超等[7]研究了刨花形態(tài)對麥秸刨花板力學(xué)性能的影響，主要分析了刨花長(cháng)度因素的影響，發(fā)現長(cháng)秸稈所制備板材的MOR和MOE均比短秸稈高，但IB低，TS高。根據其研究可以推測，刨花長(cháng)厚比參數可能對秸稈板的性能具有明顯影響。易順民等[8]研究了施膠量和板密度對麥秸刨花板性能的影響，認為提高施膠量和板密度可以提高刨花板的綜合力學(xué)性能和熱穩定性。 關(guān)于利用玉米秸稈制備人造板，楊中平等[9]研究了3種不同尺寸刨花對玉米秸稈刨花板性能的影響，認為提高刨花長(cháng)細比能提高板材靜曲強度；王琪等[10]對比分析了長(cháng)條狀（長(cháng)25~100 mm、寬8~13 mm、厚0.2~0.4 mm）和粉碎機粉碎的細碎狀兩種玉米秸稈刨花制備的板材的各項性能，發(fā)現長(cháng)條狀的大尺寸刨花制備的板材具有較高的MOR，但IB很低；而細碎刨花制備的板材雖MOR有所降低，但IB高很多。 通過(guò)這些研究可知，不同種類(lèi)的秸稈刨花，刨花尺寸與形狀對最終刨花板性能的影響不盡相同。目前，學(xué)者們都將刨花形態(tài)和施膠量作為單因素變量進(jìn)行研究，尚未見(jiàn)將兩者作為密切相關(guān)的變量進(jìn)行詳細綜合分析的報道。對于玉米秸稈刨花板，有學(xué)者針對性地研究了秸稈刨花形態(tài)對秸稈刨花板性能的影響，但刨花分級很大，相關(guān)分析較籠統。此外，刨花形態(tài)對刨花板性能的影響不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性規律，不同產(chǎn)地的秸稈以不同方法加工，得到的刨花形態(tài)差異很大，其影響刨花板性能的作用機制表現得復雜多變，必須具體情況具體分析。 東北地區是中國的“黃金玉米帶”，秸稈品質(zhì)優(yōu)良且產(chǎn)量大[4]。基于以上原因，本研究以黑龍江省產(chǎn)玉米秸稈為原料，在對玉米秸稈刨花進(jìn)行精細篩分的基礎上，詳細探究刨花形態(tài)和施膠量?jì)蓚�(gè)因素對玉米秸稈刨花板性能的綜合影響，進(jìn)而探索制備綜合性能較好的玉米秸稈刨花板的工藝，為秸稈刨花板的生產(chǎn)提供技術(shù)依據。 1 材料與方法1.1 試驗材料1）玉米秸稈刨花 選用黑龍江省經(jīng)過(guò)機械直收后得到的玉米秸稈，含水率約15%，經(jīng)碎料機粉碎、篩網(wǎng)篩選、風(fēng)選去除瓤和葉（瓤和葉質(zhì)量比例小于1%）、干燥等處理后，得到6種不同形態(tài)、含水率3%~5%的秸稈刨花。采用篩分的方式對刨花進(jìn)行分選，以篩分粒度值表征刨花形態(tài)。如圖1所示，6種形態(tài)的玉米秸稈刨花均呈細條狀；其形態(tài)參數測量結果列于表1，不同形態(tài)刨花的平均寬厚比區別不明顯，而平均長(cháng)厚比差別較大。
圖1 6種形態(tài)的玉米秸稈刨花Fig.1 Six types of corn straw particles with different geometries 表1 6種形態(tài)秸稈刨花尺寸測量結果Tab.1 Geometrical measurements of six straw particles
2）膠黏劑 粉末脲醛樹(shù)脂，由晴俊化工（中國）生產(chǎn)。脲醛樹(shù)脂與水質(zhì)量配比1∶1。固化劑采用質(zhì)量分數為25%的氯化銨溶液，添加量為脲醛樹(shù)脂膠液質(zhì)量的2%。 1.2 主要設備儀器100 t試驗熱壓機（型號DL-100 T）、萬(wàn)能力學(xué)試驗機（AG-10TA）、動(dòng)態(tài)熱機械分析儀（DMA 242 E）、掃描電子顯微鏡（Apreo S）等。 1.3 板材制備單層刨花板幅面尺寸為340 mm×320 mm，目標密度0.80 g/cm3，厚度為10 mm。工藝參數：施膠量10%、12%和14%；熱壓溫度155 ℃，壓力3.0 MPa，時(shí)間5 min。采用單因素試驗，以6種形態(tài)秸稈刨花為原料，分別以3種施膠量制備玉米秸稈刨花板。 根據單層刨花板的試驗結果優(yōu)化刨花形態(tài)，再按相同施膠量和熱壓工藝參數制備三層刨花板，表、芯層刨花質(zhì)量比為1∶1，重復制板數量為3。 1.4 板材性能測試1） 理化性能測試 按照GB/T 17657—2013 《人造板及飾面人造板理化性能試驗方法》，測試MOR、MOE、IB、2 h TS和24 h TS。 2） 斷面微觀(guān)形貌觀(guān)測 對14%施膠量的試板IB測試后，切割制取尺寸為5 mm（長(cháng)）×5 mm（寬）×1 mm（厚）的斷裂面試樣，對其表面噴金處理后進(jìn)行微觀(guān)結構分析。 3） 動(dòng)態(tài)熱機械性能測試 將板材切割成尺寸為50 mm（長(cháng)）×10 mm（寬）×2 mm（厚）的薄片試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)熱機械分析，采用三點(diǎn)加載彎曲方法，振幅60 μm，加載頻率1 Hz，溫度范圍25~220 ℃，升溫速度5 ℃/min。 2 結果與分析2.1 刨花形態(tài)與施膠量對刨花板性能的影響2.1.1 靜曲強度與彈性模量 不同刨花形態(tài)與施膠量條件下制備試板的MOR和MOE測試結果，如圖2所示。
圖2 刨花形態(tài)與施膠量對試板MOR和MOE的影響 Fig.2 Effects of particle geometry and resin content on the MOR and MOE of corn straw particleboards 從圖2可以看到，在施膠量一定時(shí)，試板MOR受刨花形態(tài)影響較明顯。在刨花篩分粒度為10~14目時(shí)，試板MOR較低。隨刨花篩分粒度減小，試板MOR逐漸升高，30~40目刨花制成的試板具有最佳的MOR；但隨著(zhù)刨花篩分粒度進(jìn)一步減小至40~60目時(shí)，試板MOR反而明顯下降。 在施膠量一定時(shí)，試板MOE隨刨花形態(tài)的變化趨勢類(lèi)似。長(cháng)厚比大的刨花塑性好，熱壓時(shí)刨花之間的接觸比較緊密，制成的刨花板通常具有更高的MOR和MOE[11]。從表1可知，本研究中不同篩分粒度玉米秸稈刨花的長(cháng)厚比區別較大：在10~30目范圍內，隨著(zhù)刨花篩分粒度減小，刨花長(cháng)厚比逐漸增大，30~40目刨花具有最大的長(cháng)厚比；而40~60目刨花長(cháng)度迅速減小，長(cháng)厚比出現回落。試板MOR和MOE與刨花長(cháng)厚比的變化趨勢基本一致。盡管40~60目刨花與20~30目刨花的長(cháng)厚比相當，但前者制備試板強度不如后者，主要是刨花長(cháng)度較小所致。表明對于玉米秸稈刨花板的MOR和MOE，雖然刨花長(cháng)度有一定影響，但刨花形態(tài)的影響主要體現在長(cháng)厚比參數上。總體來(lái)說(shuō)，刨花長(cháng)厚比越大，刨花板MOR和MOE越高。 對不同形態(tài)刨花，試板MOR受施膠量的影響規律不同。從圖2中可以看到，在秸稈刨花篩分粒度為10~14目時(shí)，隨施膠量增加，試板MOR不僅沒(méi)有升高，反而出現降低。而當刨花篩分粒度小于14目時(shí)，隨施膠量增加，試板MOR明顯升高。Medved等[12]在膠黏劑中添加熒光劑，采用熒光光源和CCD相機研究膠黏劑和刨花尺寸對刨花板表面膠黏劑覆蓋率的影響，驗證了增大刨花尺寸、增加施膠量對提高刨花表面有效施膠量的積極效果。根據此研究，筆者認為施膠量和刨花形態(tài)共同作用于刨花的有效施膠量，從而影響刨花板的力學(xué)性能。又有研究表明，施膠量過(guò)高會(huì )使刨花板MOR出現降低[13]。10~14目刨花的比表面積較小，僅需較少的施膠量就能覆蓋大部分刨花表面，當大部分刨花表面已經(jīng)被膠黏劑覆蓋時(shí)，進(jìn)一步增加施膠量，反而會(huì )導致MOR降低。篩分粒度大于14目的刨花的比表面積較大，較少的施膠量不足以覆蓋大部分的刨花表面，隨著(zhù)施膠量增加，刨花之間的膠接點(diǎn)增加，刨花板整體MOR升高。 對玉米秸稈刨花板而言，在刨花形態(tài)一定時(shí)，MOE受施膠量的影響較小。這是因為MOR表征的是板材彎曲斷裂的限值，而MOE是板材彎曲變形階段內應力與應變之間的比值。施膠量的增加改變了實(shí)際膠接面積，從而影響板材MOR的高低，但對板材彎曲過(guò)程中的應力應變比值的影響較小。 2.1.2 內結合強度 刨花形態(tài)與施膠量對試板IB的影響如圖3所示。施膠量一定時(shí)，試板IB隨著(zhù)刨花篩分粒度的減小，呈現出先增大后減小的趨勢，并在24~30目時(shí)達到最大值。對施膠量14%的試板IB測試后的表面進(jìn)行掃描電子顯微鏡觀(guān)測，如圖4所示。
圖3 刨花形態(tài)與施膠量對試板IB的影響 Fig.3 Effects of particle geometry and resin content on the IB of corn straw particleboards
圖4 IB測試后試件的表面掃描電鏡圖（施膠量14%） Fig. 4 SEM images of the IB fracture surfaces of straw particleboards (Resin content 14%) 從圖4可以看到，在刨花篩分粒度為10~14目時(shí)，刨花篩分粒度較大，熱壓后刨花沿板材厚度方向可以被緊密地壓實(shí)，但交織錯疊的刨花之間 依然存在許多縫隙，導致單位面積內實(shí)際承受載荷的膠接面積較小，試板IB較低。在14~30目范圍內，隨著(zhù)刨花篩分粒度減小，刨花之間的縫隙減少，單位面積內實(shí)際承受載荷的膠接面積增加，斷面大部分刨花呈層狀撕裂現象，板材IB較高。此外，Li等[6]研究認為，隨刨花篩分粒度減小，刨花比表面積會(huì )增大，新增表面未覆蓋蠟質(zhì)和硅質(zhì)，膠接體系內難以膠接的蠟質(zhì)層表皮面積占全部刨花總表面積的比例下降。對玉米秸稈刨花同樣存在這種效應，隨刨花篩分粒度減小，刨花之間的平均粘接強度提高，在一定程度上有利于刨花板IB的升高；但隨著(zhù)刨花篩分粒度進(jìn)一步減小，30~60目刨花比表面積增大，在施膠量一定時(shí)單位粘接表面上的膠量減小，刨花之間不能緊密粘接，反而出現許多縫隙，因此試板的IB降低。 從圖3還看到，在刨花篩分粒度一定時(shí)，隨著(zhù)施膠量增大，試板IB整體呈增大趨勢。這是因為施膠量增加使單位面積膠黏劑增加，熱壓時(shí)秸稈刨花之間的總粘接力增強，從而提高了試板的IB。 2.1.3 吸水厚度膨脹率 刨花形態(tài)與施膠量對試板2 h TS的影響如圖5所示。在不同施膠量下，刨花形態(tài)對試板TS影響的程度不同。
圖5 刨花形態(tài)與施膠量對試板2 h TS的影響 Fig.5 Effects of particle geometry and resin content on the 2h TS of corn straw particleboards 在施膠量為10%時(shí)，隨刨花篩分粒度減小，試板TS先降低后升高。刨花板吸水厚度膨脹的主要原因是刨花吸水在板材內部形成較大的內應力，克服刨花之間的粘接導致刨花板產(chǎn)生不可逆的厚度膨脹[ 從圖5中還可以看到，在刨花篩分粒度一定時(shí)，隨施膠量增加，試板TS明顯減小。這與已有關(guān)于施膠量對刨花板吸水厚度膨脹率影響的研究結果相同[ 2.2 動(dòng)態(tài)熱機械分析（DMA）DMA可通過(guò)測定刨花板的動(dòng)態(tài)黏彈性能，評價(jià)刨花之間的粘接強度。通常，當板材內部刨花之間的粘接強度高時(shí)，板材具有較高的儲能模量和較低的損耗角正切值[16]。 儲能模量表征黏彈性材料在動(dòng)態(tài)形變過(guò)程中由于彈性形變而儲存能量的能力，即材料的彈性。由圖6所示試板DMA儲能模量的測試結果可知，刨花形態(tài)對刨花板儲能模量的影響呈現一定的規律性：在施膠量一定時(shí)，隨刨花篩分粒度減小，刨花板的儲能模量持續升高，且均在刨花為30~40目時(shí)達到峰值；而當刨花篩分粒度繼續減小時(shí)，儲能模量出現降低。
圖6 刨花形態(tài)和施膠量對試板儲能模量的影響 Fig.6 Effects of particle geometry and resin content on the storage modulus of corn straw particleboards 施膠量對試板儲能模量的影響規律比較復雜：在刨花篩分粒度為10~24目時(shí)，施膠量增加，試板的儲能模量變化不明顯；而當刨花篩分粒度為24~60目時(shí)，試板的儲能模量隨著(zhù)施膠量增加而明顯升高。 黏彈性材料在動(dòng)態(tài)形變過(guò)程中，不僅會(huì )發(fā)生彈性形變，還會(huì )發(fā)生黏性形變，外力對體系所做的功轉變?yōu)楦叻肿渔溨g的摩擦熱。損耗模量即表征黏彈性材料在動(dòng)態(tài)形變過(guò)程中由于黏性形變而耗散能量的能力，損耗角正切值是材料損耗模量與儲能模量的比值。 試板DMA損耗角正切值測試結果如圖7所示。隨測試溫度不斷升高，板材中的脲醛樹(shù)脂會(huì )發(fā)生玻璃態(tài)到高彈態(tài)（橡膠態(tài)）的緩慢轉變，刨花之間的膠接層剛性變差，板材儲能模量持續減小，損耗模量不斷增大，損耗角正切值增大[
圖7 刨花形態(tài)和施膠量對試板損耗角正切的影響 Fig.7 Effects of particle geometry and resin content on the loss angle tangent of corn straw particleboards 對不同施膠量，刨花形態(tài)變化對試板損耗角正切值影響的規律不同。當施膠量較小時(shí)，試板損耗角正切值受刨花篩分粒度值影響較小，僅在刨花篩分粒度小于40目時(shí)，板材損耗角正切值才會(huì )出現一定程度的增大。當施膠量較大時(shí)，隨刨花篩分粒度減小，損耗角正切值不斷減小，但當刨花篩分粒度小于40目時(shí)，損耗角正切值明顯增大。對不同形態(tài)刨花，施膠量變化對刨花板損耗角正切值影響的規律亦不相同。當刨花篩分粒度為10~14目時(shí)，試板損耗角正切值隨施膠量增加不斷增大；當刨花篩分粒度為14~24目時(shí)，試板損耗角正切值隨施膠量增加變化不明顯；而當刨花篩分粒度值繼續減小至24~60目時(shí)，試板損耗角正切值隨施膠量增加而出現明顯減小。 綜上，施膠量為14%、篩分粒度為30~40目刨花制成的試板具有最高的儲能模量和最小的損耗角正切值。 2.3 刨花板性能優(yōu)化依據不同形態(tài)刨花與施膠量對試板性能影響，優(yōu)選表層和芯層刨花篩分粒度，可以實(shí)現不同篩分粒度刨花力學(xué)性能的優(yōu)勢互補，從而提高板材綜合性能。根據材料力學(xué)知識可知，刨花板受力彎曲時(shí)，表層材料承受最大彎曲應力，與芯層相比，表層材料的力學(xué)性能對板材MOR和MOE影響較大。因此，本試驗選擇MOR與MOE最高的30~40目刨花作為表層原料；同時(shí)，為提高板材整體IB，選擇IB最高的24~30目刨花作為芯層原料。 基于以上表芯層刨花優(yōu)選方法，以施膠量14%制備三層刨花板，板材理化性能測試結果列于表2。從表2中數據可以看到，三層刨花板具有更好的綜合性能，其MOR達到32.50 MPa，同時(shí)IB達到0.93 MPa，綜合了24~30目和30~40目?jì)煞N單層刨花板的優(yōu)勢，達到GB/T 4897—2015《刨花板》中干燥狀態(tài)下使用的重載型刨花板（P4型）的要求。 表2 三層刨花板和六種單層刨花板性能測試結果 Tab.2 Performances of three-layer particleboards and six types of single-layer particleboards
3 結論1）玉米秸稈刨花板的MOR與MOE受刨花形態(tài)與施膠量的影響。刨花長(cháng)厚比越大，試板MOR和MOE越高；同時(shí)施膠量越大，試板MOR也越大，但施膠量對MOE的影響相對較小。 2）玉米秸稈刨花板的IB亦受刨花形態(tài)與施膠量的影響。施膠量越大，刨花板IB越大。掃描電鏡觀(guān)測分析結果表明，在10~30目范圍內，隨刨花篩分粒度減小，刨花之間的縫隙減少，粘接面積增加，試板IB較大；但刨花篩分粒度小于40目時(shí)，刨花單位面積上的膠量減少，板材內部縫隙增多，IB降低。 3）當施膠量超過(guò)12%時(shí)，玉米秸稈刨花篩分粒度對刨花板TS的影響較小；在刨花篩分粒度一定時(shí)，施膠量對刨花板TS的影響較大，增大施膠量可以明顯降低刨花板TS。 4）刨花形態(tài)與施膠量對玉米秸稈刨花板的動(dòng)態(tài)熱機械特性具有較大影響，在施膠量為14%時(shí)，以篩分粒度30~40目刨花制成的板材具有最高的儲能模量和最小的損耗角正切值。 5）以篩分粒度30~40目刨花作為表層原料、24~30目刨花作為芯層原料，采用脲醛樹(shù)脂膠14%的施膠量，玉米秸稈刨花板的MOR、MOE、IB和24 h TS達到了GB/T 4897—2015《刨花板》中干燥狀態(tài)下使用的重載型刨花板（P4型）的要求。 |
